李政 范是琪 趙濤 王小飛

摘要：利用湖北省ADTD閃電定位系統(tǒng)記錄的江漢平原天門市、仙桃市、潛江市城市下墊面與3個(gè)城市外圍平原下墊面的地閃數(shù)據(jù)，通過對(duì)地閃數(shù)據(jù)中閃電頻次、閃電極性、閃電幅值、累積概率等閃電特征進(jìn)行歸納分析對(duì)比，從而揭示湖北省內(nèi)在同一大氣環(huán)流背景下城市與平原2種不同下墊面狀況對(duì)閃電具體特征的影響。結(jié)果表明，在同一大氣環(huán)流背景下，城市與平原下墊面之間同時(shí)發(fā)生閃電的相關(guān)系數(shù)較高，因?yàn)橄聣|面特征產(chǎn)生的局部閃電比例較低;城市下墊面對(duì)應(yīng)的正閃電比例高于平原下墊面，但是其正閃平均幅值較低，呈負(fù)相關(guān);城市下墊面的閃電幅值分布更加集中，主要在20-35 kA;城市下墊面與平原下墊面相比，雷電流平均幅值大0.91 kA，雷電流累積概率中值電流大0.90 kA，60.0 kA以上的雷電流也表現(xiàn)為城市下墊面更多。

關(guān)鍵詞：ADTD;下墊面;閃電特征;湖北省

中圖分類號(hào)：S42;P427.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020） 20-0071-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.20.015

閃電是云與云之間、云與地之間或者云內(nèi)部各部位之間的強(qiáng)放電現(xiàn)象。其中對(duì)人類危害最大的主要是云與地之間放電，也叫云地閃。云地閃可以分為上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)，但是最后雷擊點(diǎn)都是在下墊面上，不同下墊面會(huì)影響雷擊先導(dǎo)，也會(huì)對(duì)閃電特征產(chǎn)生影響。此外，下墊面的特征，如不同的地形、地質(zhì)、土壤和植被等，地形的曲折起伏、植被和土地的利用類型等也會(huì)影響下墊面上部邊界層的熱力和動(dòng)力過程，進(jìn)而對(duì)天氣過程產(chǎn)生不同程度的影響，最后影響到閃電的特征。

關(guān)于下墊面對(duì)閃電天氣過程的影響研究較多，有分析指出，下墊面特性（植被和土壤）的變化影響了地表能量和熱通量及對(duì)流有效位能[1-3]。土地利用類型的改變使地表加熱產(chǎn)生空間變化從而加強(qiáng)了強(qiáng)對(duì)流天氣。Chen等[4]分析指出，臺(tái)北市城市化進(jìn)程改變下墊面狀況使大氣邊界層的動(dòng)力和物理過程被迫改變，城市熱島效應(yīng)引起的中尺度環(huán)流加強(qiáng)了主城區(qū)下風(fēng)向的對(duì)流活動(dòng)。徐蓉等[5]利用數(shù)值模擬南京市下墊面特征對(duì)雷暴過程的影響，表明雷暴發(fā)生前期，南京市熱島效應(yīng)明顯，其次，城市上空的感熱通量較高，結(jié)合城郊下墊面熱力差異造成的城市熱島環(huán)流，加強(qiáng)了城區(qū)的輻合上升，為雷暴的形成提供了重要的抬升作用。

上述研究主要分析了下墊面對(duì)水汽、熱量、動(dòng)力的影響，但是具體到在這種影響下不同下墊面之間發(fā)生閃電的具體特征（如閃電極性、幅值、陡度）差異方面的研究較為鮮見。本研究將探討不同下墊面之間發(fā)生閃電的差異，以期為城市和農(nóng)村開展精細(xì)化防雷減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。

1 資料獲取與處理

江漢平原位于長(zhǎng)江中游，漢江中下游，湖北省的中南部，西起宜昌枝江，東迄武漢，北自荊門鐘祥，南與洞庭湖平原相連，面積約4.6萬km2。選取ADTD閃電定位系統(tǒng)2007-2015年記錄的云地閃資料[6-13]，通過對(duì)比分析江漢平原仙桃市、潛江市、天門市市區(qū)與附近平原的云地閃特征來反映城市下墊面與平原下墊面對(duì)閃電特征的影響。從圖1可以看出，平原下墊面主要是以綠色農(nóng)田為主，而在城市部分卻是人工改造后的灰色鋼筋水泥。不同下墊面的坐標(biāo)選取范圍如表1所示。

2 不同下墊面閃電頻次特征分析

2.1 日變化分布

江漢平原是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，所選取的對(duì)比區(qū)域都在江漢平原內(nèi)，之間并沒有大的山川、水域影響天氣環(huán)流，所以其所處的地理位置大尺度的天氣環(huán)流背景是相同的。

將閃電發(fā)生時(shí)間按照24 h日變化進(jìn)行歸納，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，研究區(qū)域內(nèi)的城市、平原下墊面閃電頻次有較大差異，但是它們所對(duì)應(yīng)的閃電頻次日變化曲線基本一致。在一天中閃電發(fā)生最多的是16：00和3：00，2個(gè)波峰。發(fā)生閃電最少的是6：00和12：00，2個(gè)波谷。

2.2月變化分布

從圖3可以看出，城市與平原下墊面兩者之間閃電頻次的月變化規(guī)律基本一致。7月閃電頻次發(fā)生最多，12月發(fā)生最少，全年呈現(xiàn)一個(gè)單峰形態(tài)。

2.3 閃電發(fā)生相關(guān)系數(shù)分析

以城市下墊面發(fā)生閃電為基數(shù)，統(tǒng)計(jì)在同一個(gè)自然日內(nèi)平原下墊面也發(fā)生閃電時(shí)的相關(guān)系數(shù)（圖4），2009、2012、2013年3年相關(guān)系數(shù)都是100.00%，最低的是2014年，相關(guān)系數(shù)為57.00%，2007-2015年總的相關(guān)系數(shù)是93.83%。這2個(gè)不同下墊面之間發(fā)生閃電的相關(guān)系數(shù)非常高，說明這2個(gè)不同下墊面之間發(fā)生閃電的規(guī)律基本一致，推測(cè)認(rèn)為，在相同的大氣環(huán)流背景下，下墊面狀況不是影響閃電是否發(fā)生的決定因素[14]。

3 不同下墊面閃電幅值特征分析

3.1 閃電極性的差異性分析

將城市、平原下墊面發(fā)生正、負(fù)閃電極性按照所占總閃比例及正、負(fù)閃電的平均幅值進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，2個(gè)下墊面之間負(fù)閃、總閃的平均幅值相差較小，但是與正閃相差較大。其中，平原下墊面的正閃平均幅值是+58.63kA，而城市下墊面的正閃平均幅值是+52.49 kA。而從其所占比例來看，2個(gè)下墊面之間的規(guī)律相反。其中，平原下墊面正閃只占總閃的6.14%，而城市下墊面正閃所占比例達(dá)9.42%。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，城市下墊面比平原下墊面正閃比例要高近53.00%，這是因?yàn)槌鞘邢聣|面比平原下墊面有更多的高聳建筑物，有利于主要存在于雷暴云頂部的正電荷擊穿空氣對(duì)大地放電[15，16]。

3.2 閃電幅值最大頻次分析

將城市、平原下墊面不同閃電幅值的頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。城市、平原下墊面閃電幅值頻次分布變化曲線基本相同，都是呈單波峰曲線。但是，城市下墊面的曲線要比平原下墊面前移了一部分。其中，城市下墊面最大頻次對(duì)應(yīng)的閃電幅值是27 kA，平原下墊面最大頻次對(duì)應(yīng)的閃電幅值是24 kA，兩者之間相差3 kA。表明雖然城市、平原下墊面的閃電平均幅值差別不大，但是城市下墊面比平原下墊面不同閃電幅值的頻次分布更加平均，主要集中在20-35 kA。

3.3 雷電流幅值累積概率特征分析

將城市、平原下墊面雷電流幅值按照lkA為單位分別統(tǒng)計(jì)雷電流幅值大于1、2、3，…，120 kA的次數(shù)（120 kA以上雷電流幅值占總閃比例不到萬分之三）。計(jì)算城市、平原下墊面的閃電次數(shù)大于不同雷電流幅值時(shí)占其總閃電次數(shù)的百分比，得到城市、平原下墊面的雷電流幅值累積概率，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，城市下墊面與平原下墊面對(duì)應(yīng)的雷電流幅值累積概率分布曲線基本相同，但是城市下墊面曲線要略微上揚(yáng)，這也與城市下墊面雷電流平均幅值較大一致。

學(xué)術(shù)界把累積概率等于50%時(shí)對(duì)應(yīng)的雷電流幅值稱為中值電流。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，城市下墊面中值電流大約為28.7 kA，平原下墊面中值電流約為27.8 kA，兩者相差0.90 kA，這與2個(gè)不同下墊面平均雷電流幅值相差0.91 kA相近。但是，本研究統(tǒng)計(jì)的中值電流要小于王學(xué)良等[17]統(tǒng)計(jì)的湖北省全省的中值電流（ 29.9 kA），也小于廣州市中值電流（36.7 kA）[18]，但是大于海南省的中值電流（ 10.2 kA）[19]。

在累積概率為10%時(shí)，城市下墊面對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為60.0 kA，而平原下墊面只有55.0 kA，這說明城市下墊面的較大雷電流幅值占比多于平原下墊面。

4 小結(jié)

1）居于同一大氣環(huán)流背景下的城市下墊面和平原下墊面之間，閃電發(fā)生的規(guī)律基本一致，說明下墊面特征不是影響閃電是否發(fā)生的決定因素，更多地是影響局部水汽輸送、溫度抬升，從而影響強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展過程。

2）城市下墊面的正閃比例比平原下墊面的正閃比例高近53.00%。這可能是因?yàn)槌鞘邢聣|面比平原下墊面有更多的高聳建筑物，有利于主要集中在雷暴云頂部的正電荷擊穿空氣形成正極性閃電。

3）2個(gè)下墊面樣本的正、負(fù)閃電平均幅值與正負(fù)閃電頻次占比呈反相關(guān)，正閃多的下墊面其正閃平均幅值低，負(fù)閃多的下墊面其負(fù)閃平均幅值低。假設(shè)在本研究所取的江漢平原下墊面樣本中，單位面積大氣中一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的正、負(fù)電荷是相同的，那么放電次數(shù)多的，也就是閃電頻次高的，必然每次放電釋放的電荷少，雷電流的平均幅值低。

4）城市下墊面與平原下墊面相比，雷電流平均幅值大0.91 kA，雷電流累積概率中值電流大0.90 kA。城市下墊面的閃電頻次分布也更加集中，閃電幅值主要分布在20-35 kA。同時(shí)，城市下墊面大幅值雷電流占比更高，其閃電雷電流幅值大于60.0 kA的占比為10.0%，而在平原下墊面這一數(shù)值只有7.7%。在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中，要針對(duì)城市下墊面這一特點(diǎn)，有效采取防雷措施。

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作者簡(jiǎn)介：李政（1984-），男，江蘇沭陽(yáng)人，副高級(jí)工程師，碩士，主要從事雷電防護(hù)技術(shù)和雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的研究，（電話）027-67848265（電子信箱）45078168@qq.com。